基于三维激光点云的建筑物建模

摘 要介绍了Cyra2500三维激光扫描仪的基本工作原理，并以某建筑物为研究对象，阐述了Cyra2500三维扫描数据的获取、预处理和空间云数据在AutoCAD中的建模方法。

【关键词】三维激光 点云数据 建筑物建模

三维激光扫描可以高效获取高精度空间点云数据。可基于点云数据快速而且客观的建立实景可量测模型，这是软件手工建模方法所无法实现的。

本文阐述了Cyrax2500三维激光扫描的基本原理和操作方法，并以某建筑为例研究基于其获取的点云数据的建模方法。

1 基本原理

Cyrax2500内部有两个与旋转轴异面且互相垂直的反光镜和一个激光器。激光器发射的窄束激光脉冲在反光镜作用下，沿纵向和横向依次扫过被测区域。激光脉冲被物体漫反射后，一部分能量被三维激光扫描仪接收。测量每个激光脉冲从发出到返回仪器所经过的时间，可以计算出仪器和物体间的距离S。

与此同时，测量每个激光脉冲与仪器固有坐标系Z轴的夹角为α，与Y轴的夹角为β，可以由公式（1）算出被测物体表面点的三维坐标。可以根据扫描点的激光反射强度，给反射点匹配颜色。仪器内部坐标系统如图1所示。

2 点云获取

2.1 数据获取

根据扫描对象的实际情况确定测站数、测站位置和控制标靶的数量和位置。连接扫描仪和计算机。用Cyclone软件创建工程并为目标拍照。照片上选择目标区域，设置参数后进行扫描。依次完成各站扫描，最后对靶标进行精确扫描。

2.2 场景建模

包含点云去噪、点云拼接、统一坐标系统、三维建模、纹理映射五个步骤。

（1）点云去噪：去除噪声点、精简冗余数据。

（2）点云拼接：一个测站的扫描只能得到物体的一个侧面。将从不同视角进行扫描得到的多个空间点云进行拼接。

（3）统一坐标系统：测定控制点的坐标，处理扫描数据时，各测站都需要转换到控制点所在的坐标系中。

（4）三维建模：将点云数据导入CAD中，参照特征点和点云数据绘制线框图，将建筑物的细部模型化。

（5）纹理映射：为得到更好的可视化效果，可以对建立的模型添加色彩，完成y理映射。

3 应用举例

3.1 数据获取

以某四层建筑物为扫描实例。在距离建筑物30m前后左右方向设站，进行10次分景分区扫描，扫描点间距为2mm。各景用目标球衔接，重叠度控制在50%。建筑物点云如图2所示。

3.2 场景建模

进行数据预处理，拼接数据、统一坐标系统、去噪。然后进行格式转换、文件分块、CAD加载数据、编辑形成线框图。

渲染时，利用高像素数码相机从各个角度拍摄实物的数码相片。用绘图工具提取材质，在材质对话框中新建材质，将相应的材质指定给实体模型，再对实体进行渲染。建筑物的渲染结果见图3。

4 结论

文本基于三维激光扫描仪获取的点云数据和数码相机获取的近景影像实现了建筑物的三维建模。模型具有实景效果，且可量测。

后续研究可以考虑基于倾斜摄影测量技术获取建筑物顶面数据，进行激光点云、倾斜摄影测量、近景摄影测量的联合建模。

参考文献

[1]范海英，杨伦等.Cyra三维激光扫描系统的工程应用研究[J].矿山测量，2004（03）.

[2]杨新林，冯冠辉，钱建国.三维激光扫描仪点云数据在AutoCAD中的处理方法研究[J].山西建筑，2008（22）.

[3]张国辉.基于三维激光扫描仪的地形变化监测[J].仪器仪表学报，2006（06）.

[4]徕卡CYRA Cyrax2500用户手册.

[5]徕卡CYRA Cyclone用户手册.

作者简介

黄恒（1987-），男，辽宁省锦州市人。在读硕士研究生。助教。研究方向为信息系统工程、3S技术原理与应用、物联网。

作者单位

1.宁夏大学信息工程学院 宁夏回族自治区银川市 750021

2.中国矿业大学银川学院矿业工程系 宁夏回族自治区银川市 750021